1、2007 Altair大中國區用戶技術大會論文集基于HyperWorks軟件平臺的汽車前翼子板件沖壓成形性分析陳雷,曲周德,王磊(天津一汽夏利汽車股份有限公司產品開發中心)2007 Altair大中國區用戶技術大會論文集基于HyperWorks軟件平臺的汽車前翼子板件沖壓成形性分析陳雷,曲周德,王磊摘要 本文闡述了基于汽車行業廣泛使用的HyperWorks軟件平臺應用于汽車外覆蓋件板料成形性有限元分析的基本流程。以某車型的前翼子板件為例，重點對其拉延成形過程進行了仿真分析，包括對有限元模型的前后處理，分析結果和工藝改進意見，為該件的進一步優化設計提供了參考。關鍵詞 板料成形仿真，前翼子板，Hy

2、perWorksAbstract: In this paper, the software HyperWorks specially developed for sheet metal forming simulation and FEA of automotive closure panels is presented with its features and functions illustrated. Taking the front wing as an example, the drawing forming process is simulated and analyzed, i

3、ncluding the preprocess and postprocess of the FE model, the result leads to the development of technics and optimization design.Keywords: Sheet metal forming simulation, Front wing, HyperWorks一、前言當代汽車和現代模具設計制造技術都表明，汽車覆蓋件的設計制造離不開有效的板料成形性仿真分析。國內外大的汽車集團，其車身開發與模具制造都要借助于一種或者幾種板料成形性分析軟件來提高其成功率和確保模具制造周期。對

4、于汽車界廣泛認可的HyperWorks軟件平臺，作者經過一段時間的學習和應用，實現了：汽車沖壓零件產品的成形性分析，判定成形難點和關鍵區域；汽車沖壓零件產品的毛坯展開計算；對模具和工藝方案的確認進行有選擇性和針對性地模擬分析，給模具調試提供量化的分析判斷數據；對多種模具和工藝方案進行反復模擬，對有欠缺的設計提出優化改進方案。二、HyperWorks平臺概述HyperWorks系列軟件是Altair公司開發的一套功能強大的、完整的、構架開放的CAE軟件平臺，在汽車相關行業有著廣泛的應用，也可以很方便地實現與主流的CAD系統和CAE求解器協同工作。在本文中，使用該平臺構架下的HyperMesh作為

5、模型的前處理工 22007 Altair大中國區用戶技術大會論文集具，HyperForm作為板料成形分析工具，HyperView作為后處理工具；求解器使用的是業界常用的LS-dyna。針對使用沖壓工藝的汽車外覆蓋件，核心軟件HyperForm在其設計周期的不同階段，包括從最初的概念化設計到成品設計的整個過程都非常方便實用，它提供了獨特的可測試生產可行性的反算法環境，同時，還提供了一套強有力的模具曲面生成工具，以及全沖壓過程的增量求解方法。HyperForm能把很多HyperWorks獨特的功能應用在復雜的板料成形仿真中，從最初的產品幾何開始，可以優化模具曲面、板料外形等多種變量，比如：板料尺寸

6、、成形壓力、拉延筋的位置形狀以及其他沖壓過程所需要的條件。三、前處理3.1 模型介紹轎車翼子板件是車身中典型的較難成形的沖壓件，在某新車型的前翼子板件模具的設計與制造工作中，為了保證模具的制造質量和周期，作者對其進行了成形性分析模擬。由于左右前翼子板件完全對稱，故而只選取了左前翼子板件進行分析，其原始設計結構如圖1所示。圖1 左前翼子板正-側視圖板料厚度：0.7mm；材料：H180BD+ZF；坯料尺寸：0.7×1700×1700mm；沖壓工藝：開卷落料，拉延成型，修邊成型，翻邊沖孔，斜楔翻邊沖孔。此模型的特點是曲面復雜、工序多，有較復雜的立體曲面，其表面質量要求光潔美觀，剛

7、性好。本文針對其容易出現成形困難的拉延成形工序，通過模面設計等對其拉延過程進行精確的增量法模擬。3.2 劃分網格模型以catia的model格式導入到HyperMesh中，首先進行必要的幾何清理(geom cleanup)，其中包括查找和刪除重面(find duplicates)、消除自由邊(toggle)、刪除需要在后續成形的特征（也可以在CAD軟件中完成）、填充孔(pinholes)等操作。然后有兩種方法對 32007 Altair大中國區用戶技術大會論文集模型進行有限元處理，分別是手動和自動化分(batch mesher)，本文采用相對靈活的手動劃分，采用5mm四邊形網格作為標準，逐面完

8、成劃分和調整，保證網格的高質量沒有大的翹曲(warpage)和雅克比值(jacobian)等，具體過程不再詳述。四、成形性仿真分析4.1 生成模具從HyperForm中打開有限元模型（其與HyperMesh之間為無縫的數據傳輸），在1Step頁面進行單元法向的檢查調整、自動定位(autotipping)、負角檢查(undercut chk)等，在保證沒有沖壓負角的情況下，遵循平均法向原則確定沖壓方向。生成模具的過程中，首先進行壓料面的設計，遵循平順光滑原則，在具體設計思路上重點考慮拉延深度、壓料面截面線輪廓的處理等，設計生成壓料面；之后是工藝補充面的設計，需要重點考慮到后續工序（如修邊、翻邊）

9、的銜接和模具結構上的實施可行性與簡便性，然后就是考慮材料的局部流動情況及其對拉延成形的影響，工藝補充面設計的兩個重要參數是凸模圓角半徑和凹模圓角半徑。生成的凹模如圖2所示。圖2 翼子板件凹模然后是拉延筋的設計和布置。為了保證得到比較均勻的或者符合要求的徑向拉應力，以及防止拉深起皺，最常用的辦法就是采用帶有拉延筋的沖模。拉延筋在調節局部進料阻力、改善毛坯在壓邊圈下的流動條件上有著非常直接的作用，可使各部分的金屬流動趨于均勻，同時還要考慮到后序修邊和拉延時很可能產生的拉毛問題。4.2 工具設定關于毛坯形狀，應該優先采用方形或者方形切角，這樣可以減掉落料模具；其次選用有一定規則形狀的毛坯，這樣既可以

10、簡化落料模具結構，又給優化毛坯排樣、提高材料的利用率提供了良好的基礎。本文的分析中采用后者，用不同形狀的較規則的毛坯進行分析 42007 Altair大中國區用戶技術大會論文集計算，最后得出最理想的毛坯形狀。按照HyperForm增量算法的分析流程，設計完凹模模面和毛坯之后，依次進行部件定義(Section definition)、毛坯材料定義(Material definition)、工具設定(Tool build)、運動設定(Tool motion)、約束和力的設定(Tool load)等。其中，凸模是由凹模偏置一定距離（一般取1.1倍料厚）得到的，壓邊力取100kN，壓邊圈速度不宜太快，

11、該件計算中取500mm/s。圖3：拉延模模具模型裝配圖各工具如圖3所示4.3 仿真計算各工具及其參數設定完之后，設置拉延筋（Drawbeads），本題選擇在金屬流動容易的地方布置三條拉延筋，附在壓邊圈上（attached to binder）。之后就可以進行分析了（run analysis），HyperForm會自動調用求解器，本文設定選用LS-DYNA求解器。計算完成后，得出該方案的分析結果。多次仿真分析中，除了重點關注非方形毛坯的形狀變動外，通過調節壓邊力和摩擦系數等沖壓成形工藝條件和參數，經過多次模擬分析的對比，直至得到此條件下的最佳拉延成形效果的板料毛坯和成形參數。五、后處理在Hype

12、rForm中，載入分析結果(load result)，選擇分析得到的d3plot文件即可自動運行HyperView，進入到后處理模塊。HyperView支持多種CAE求解器的數據格式，可以方便的顯示各種云圖，如張量圖、向量圖、等值面顯示等，同時也支持多種動畫顯示。對比了各種坯料形狀和成形參數條件下的拉延仿真結果后，得出較為理想的方案如下圖。2007 Altair大中國區用戶技術大會論文集圖4 坯料減薄率及成形極限圖（FLD）六、結論從上述過程中可以看出，采用數值模擬技術來進行拉延成形分析，進而在模具制造調試時提供量的數據和判據，指導模具調試，這是縮短制模周期、提高沖壓件成形質量的一個非常重要的手段，如果在模具加工制造前就進行充分的模擬分析，研討模面設計的可行性和可靠性，進而提出改模方案，無疑將大大減少現場實際試模量，HyperWorks軟件平臺正是提供了這樣一個較為完善可靠的仿真環境，便于在模具設計初期對全過程實施預分析及做出必要的工藝改進，對實踐有很強的指導意義；但板料的沖壓成形過程和模具的設計制造是一個十分復雜的系統過程，單對某一個工序及其模具調試做出分析、判斷及修改還是不夠的，